JP4113584B2 - 酸素発生組成物 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、一般に酸素発生組成物に関し、更に詳細には酸素発生を修飾し容易にし、塩素の生成を抑制し、組成物の混合を促進するための添加剤として酸化マグネシウムを含む、改良された酸素発生組成物に関する。
関連技術の開示
アルカリ金属塩素酸塩又は過塩素酸塩の分解をベースとする化学的酸素発生組成物は、例えば旅客機等の通気性酸素の非常用の源として長い間用いられている。アルカリ金属塩素酸塩又は過塩素酸塩を用いた酸素発生組成物は米国特許第5,198,147、5,279,761及び5,298,187号明細書に開示されており、これらを参考文献として本明細書に組み入れる。
典型的な化学酸素発生ろうそくは異なる組成を有するいくつかの層を有し、従って異なる反応速度を有する。飛行機の降下に続くキャビンの圧力の減少する時間とともに変化する酸素発生要求を調和することを補助する単一の方式の代わりに、ろうそく内で複数の層が用いられる。種々の応用は種々の酸素発生要求を有する。ろうそくは、一般に点火ペレットを保持する１つの末端にくぼんだところを有する、だんだん細くなる円筒状形状を有する。該点火ペレットは、典型的にはプライマーを発火することにより点火し点火ペレットから加熱し、次いでろうそく体の反応を点火して酸素を発生する。
航空機酸素発生装置は、一般に飛行機の所定のタイプの降下プロフィールに従って前もってプログラムされており、全ての降下の間、最小酸素の流れの要求を満たさなければならない。しかし、化学酸素発生コア又はろうそく中で生成される酸素ガスはコアから漏れるために十分な圧力を発生しなければならない。この降下は、活性化酸素発生コアから一様でなく一定しない酸素の均質な流れを引き起こす。コアからの酸素の流れにおけるこのような変化にもかかわらず最小流れの要求を満たすために、過剰重量の化学的酸素発生組成物が通常用いられる。不必要な重量を最小化するために、特に航空機において、活性化酸素発生コアからのスムースな酸素の流れを促進することのできる酸素発生組成物を提供することが望ましい。
酸素発生組成物中において塩素酸ナトリウムの性能を和らげるための阻害剤としての酸化コバルトと一緒に過酸化バリウム、過酸化リチウム及び水酸化カルシウムが用いられている。しかし、過酸化バリウムは有毒であり、故に過酸化バリウムを含む消費され廃棄される酸素発生装置の処分は高価である。過酸化リチウム及び水酸化カルシウムは非常に強い阻害剤であり、故に例えば酸素発生組成物中に１％のフラクション等の少量が用いられ、酸素発生組成物中に阻害剤を均等に分布させるのは比較的困難である。過酸化リチウムは水分及び二酸化炭素を吸着したときに固まる傾向がある。触媒として酸化コバルト、添加剤として過酸化リチウム又は水酸化カルシウムを含む組成物について、延長された完全な混合は各ロット中の、及び１ロットから次への変化を減少するために重大である。水酸化カルシウムの分解は、いくつかの応用において好ましくない水を生成する。水酸化カルシウムも、他の触媒が存在しない場合、最小の触媒活性を有する。
水酸化カルシウムは相対的に強い阻害剤であるから、高い酸化コバルト濃度及び低い水酸化カルシウム濃度を有する局在的な部分が不完全な混合により起こり、低い酸化コバルト及び高い水酸化カルシウム濃度の他の局在的な部分よりも高い分解速度を有する。従って、酸素発生組成物の製剤に基づく水酸化リチウム及び水酸化カルシウムは酸素発生組成物中における成分の不均一の分布により、典型的にロット内及びロット間で相対的に高い性能の変化を示す。成分の均一な分布が容易に達成され、優れた均一な性能を生じ、従来の製剤よりも容易に製造できる、改良された酸素発生製剤を提供することが望ましい。本発明は、上記要求を満たす。
発明の要約
簡単に言えば、そして大まかに言えば、本発明は、優れた性能の均一性を生成し、より均質で、更に均一な酸素発生速度を生じ、他の従来の酸素発生阻害剤を用いる、比較できる、塩素酸塩／過塩素酸塩酸素発生組成物よりも簡単に混合及び製造される、改良された酸素発生組成物を提供する。酸化マグネシウム（MgO）は、反応、均質な酸素発生を改良し、塩素の生成を抑制し、操作する化学的酸素ろうそくのレオロジーを改良し、ろうそく成分の混合を促進するために用いられる。
従って、本発明は、燃料として金属粉末、塩素除去剤及び反応速度改質剤として酸化マグネシウム、及びアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源を含む、組成物の点火に関する通気性ガスを製造するための酸素発生組成物を提供する。該酸素発生組成物は、更に遷移金属酸化物触媒、更に任意にバインダーを含んでもよい。一つの好ましい態様においては、上記酸素発生組成物は、燃料として約0.5〜15重量％の金属粉末、０〜約15重量％の遷移金属酸化物触媒、約0.1〜５重量％の酸化マグネシウム、０〜約５重量％のバインダーを含み、残部がアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源を含む、組成物の点火に関する通気性ガスを製造するための酸素発生組成物を含む。他の好ましい態様においては、上記酸素発生組成物は、燃料として約１〜10重量％の金属粉末、約0.1〜15重量％の遷移金属酸化物触媒、塩素除去剤及び反応速度改質剤として0.5〜４重量％の酸化マグネシウム及び約１〜５％のバインダーを含み、残部はアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源を含む。
酸化マグネシウムは、酸化コバルトによって触媒される塩素酸ナトリウムの分解を阻害する比較的弱い阻害剤であり、従って、反応及び均質な酸素発生を改良することができる。しかし、酸化コバルトの不存在又は低濃度下で、酸化マグネシウムは塩素酸ナトリウムの分解を触媒する。酸化マグネシウムは酸化コバルトとともに用いた場合は弱い阻害剤であり、酸化コバルトの不存在又は低濃度下では触媒であるので、酸化コバルト及び酸化マグネシウムの不均一な分布による性能のいずれの変化も非常に減少し、また酸化マグネシウムは抗固化剤であり、非常に良好な流れ特性を有し、混合を促進することができる。従って、添加剤として酸化マグネシウムを用いた製剤の混合工程は従来の酸素発生組成物に必要とされる長期混合と比較して非常に単純になり得る。
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、及び本発明の特徴を説明することを目的として添付された図面から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の方式に従った酸素発生組成物から製造された酸素発生ろうそくの横断面図である。
好ましい態様の詳細な説明
活性化された従来の酸素発生コア又はろうそくからの酸素の流れは一様でなく一定でない。水酸化リチウム及び水酸化カルシウム反応速度阻害剤を用いた酸素発生組成物の製剤は、典型的には酸素発生組成物中の成分の不均一な分布により、各ロット及び同一の製剤の異なるロット間で比較的高い性能の変化を示す。
従って、本発明は一般に塩素酸塩、金属粉末、バインダー及び酸化マグネシウムを含む、組成物の点火に関する通気性ガスを製造するための酸素発生組成物を包含する。新規な酸化マグネシウム添加剤は、反応、均質な酸素発生を改良し、塩素の生成を阻害し、操作される化学的酸素ろうそくのレオロジーを改良し、ろうそく成分の混合を促進するために用いられる。製剤は、任意に酸化コバルト及び／又は他の触媒を含んでもよい。
酸素発生組成物は燃料として約0.5〜15重量％の金属粉末を含む。金属粉末としては、鉄、すず、マンガン、コバルト、ニッケル、タングステン、チタン、マグネシウム、アルミニウム、ニオビウム、ジルコニウム及びそれらの混合物が挙げられる。高純度及び高表面積を有する鉄粉末を用いてもよい。得られる適当な鉄粉末を電気分解、又は水素還元により、酸素発生ろうろくの操作において有毒化合物を製造することができる炭素及び他の不純物を実質的に含まない鉄粉末を得る。酸素発生ろうそくにおける鉄粉末の利用は熱を供給し、塩素酸塩の分解の安定を補助する。
本発明においてはすず粉末が用いられ、高純度及び小さい粒径を有するすず粉末が好ましい。粗いすず粉末が満足な方法で機能するとしても、325メッシュより小さい粒径のすず粉末が好ましい。この粉末は一般に炭素を含まない。従って、すずを用いた場合、発生した炭素中の一酸化炭素の混入は最小になる。
本発明の好ましい態様においては、酸素発生組成物は、更に約0.1〜15重量％の遷移金属酸化物触媒を含む。上記遷移金属酸化物触媒は、例えば、CoO、Co₃O₄、Co₂O₃及びCoO_X（Xは1.0〜1.5である）等のコバルト酸化物、酸化ニッケル、酸化銅、酸化鉄及びそれらの混合物からなる群から選択される。本発明の好ましい遷移金属酸化物触媒は、四酸酸化コバルト（cobaltocobaltic oxide）（Co₃O₄）、酸化ニッケル及び酸化銅である。
酸化コバルトは活性であり分解反応は固相で起こるので、酸化コバルトを用いる場合は反応速度阻害剤を用いる利点がある。触媒活性を減少することにより、反応温度がわずかに上昇し、故に反応は粘性の溶融相で起こる。これは、塩素酸塩又は過塩素酸塩の分解の間に発生する酸素ガスの遊離を容易にするのを許容する。
本発明の好ましい態様においては、酸素発生組成物は、更に反応速度阻害剤として約0.1〜約５重量％の酸化マグネシウムを含有する。例えば、酸化コバルト及び水酸化カルシウムを有する処方された、比較的強い反応阻害剤として作用する酸素発生組成物において、不完全な混合により高い酸化コバルト濃度及び低い水酸化カルシウム濃度を有する局在部位が生じ、低い酸化コバルト及び高い水酸化カルシウム濃度の局在領域よりもはるかに高い分解速度を有する。一方、酸化マグネシウムは、酸化コバルトにより触媒される塩素酸ナトリウムの分解を阻害する、比較的弱い阻害剤であり、従って、反応を修飾し酸素発生を容易にすることができる。しかし、酸化コバルトの不存在又は低濃度においては、酸化マグネシウムは塩素酸ナトリウムの分解を触媒する。これは酸素発生組成物の反応速度を緩和するのに特に有利である。酸化コバルトと一緒に用いた場合は酸化マグネシウムは弱い阻害剤であり、酸化コバルトの不存在下では触媒であるので、先の従来の酸素発生組成物に比較して、酸素発生組成物の不均一な混合は酸素発生組成物の性能の均一性に影響を及ぼさない。
酸化マグネシウムも、非常にふわふわしている（fluffy）という点で有利であり、故に機能する酸素発生組成物のメルトレオロジーを改良するのを補助するために増粘剤として機能し得る。酸素ろうそく阻止物をベースとする塩素酸ナトリウムは、約265℃の、塩素酸ナトリウムの融点より高い操作温度を有し、故に酸素発生組成物中の塩素酸ナトリウムは溶融し、酸素発生装置の操作の間、パドルを形成し得る。化学酸素ろうそくの適切な操作というものは、ろうそくの縦軸に沿った反応の先端の伝播により、予め定義されたプロフィールに従って酸素を均一に放出する。ろうそく内の領域がいったん溶融してパドルを形成すると、反応は非常に速く変則的に進行し得る。従って、酸素ろうそくの性能は、そのメルトレオロジーを改良することにより、改良することができる。酸化マグネシウムは、酸化コバルトの不存在下で中程度の活性触媒であり、酸化コバルトの存在下では弱い阻害剤であるので、酸化マグネシウムを水酸化カルシウムの代わりに用いた場合、一様でない分布による変化は非常に小さい。この利点の証拠は、酸化マグネシウムを含む酸素発生組成物の消費されたブロックが一般に多数の均一なテクスチャーを有するという観察である。また、酸化マグネシウムは水様水酸化カルシウムを生産せず、従って、放出された酸素における低湿気レベルを必要とする応用にとって有利である。
酸化マグネシウムは、材料が小さい粒径及び高い表面積を有する限りは本発明の酸素発生組成物における添加剤として適当である。酸化マグネシウムの適当な形態の例は、他の形態の酸化マグネシウムも適当であるけれど、Aldrich Chemicalから入手可能な、いわゆる軽酸化マグネシウム、及びC.P.Hallから”MAGLITE”の名称で入手可能な高表面積酸化マグネシウムである。上記２つの業者から得られる軽酸化マグネシウムは、典型的には約100〜200m²/gの表面積を有する。たとえ、高表面積を有する酸化マグネシウムが好ましいとしても、わずかに高い配合量を有するが低表面積のマグネシウムが同様の方法で機能する。
また、本発明の酸素発生組成物は、任意に約５％までの１以上のバインダーを含んでもよい。本発明の好ましい態様においては、他の無機バインダーも適当であるが、上記バインダーは、例えばガラス粉末、ガラスファイバー、ファイバーガラス、セラミックファイバー、スチールウール、ベントナイト、カオリナイト及びそれらの混合物等の無機バインダーである。
上記酸素発生組成物の残分は、好ましくはアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源を含む。他のアルカリ金属塩素酸塩及び過塩素酸塩も適当であるが、例えばアルカリ金属塩素酸塩は塩素酸ナトリウム、塩素酸カリウム又は塩素酸リチウムであり、アルカリ金属過塩素酸塩は過塩素酸カリウム、過塩素酸リチウム又は過塩素酸ナトリウムである。本発明における好ましい塩素酸塩は塩素酸ナトリウムであり、好ましい過塩素酸塩は過塩素酸ナトリウムである。塩素酸ナトリウムは塩素酸カリウムと比較して基本重量当たりの高い酸素収率を有し、塩素酸カリウム及び過塩素酸カリウム、及び過塩素酸リチウムと比較して適度に低い分解温度を有するので、酸素源として好ましい。本発明の酸素発生組成物から形成される酸素発生ろうそくまたはコアの自動的な操作を許容する塩素酸ナトリウムの分解は発熱性に開始される。また、塩素酸ナトリウムはその比較的な低価格のために酸素源として好ましい。本発明の好ましい態様においては、酸素源は主要な量の塩素酸ナトリウム及び微量の過塩素酸カリウムの組み合わせである。
本発明の好ましい態様においては、、酸素発生組成物は燃料として約１〜10重量％の金属粉末；約0.1〜15重量％の遷移金属酸化物触媒；塩素除去剤及び反応速度改質剤として約0.5〜４重量％の酸化マグネシウム；約１〜５重量％のバインダーを含み、残部はアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源である。
酸素発生コア又はろうそくを製造するには、金属粉末、金属酸化物触媒、酸化マグネシウム及び無機バインダー（用いる場合は）を予備混合する。酸素源塩素酸塩／過塩素酸塩成分を典型的には約１〜５重量％の酸素発生コア又はろうそくの製造を促進するための滑沢剤としての水とともに別々に混合する。次いで、予備混合した粉末を湿潤した塩素酸塩／過塩素酸塩と混合する。鋳型の中で湿った混合物を圧縮することにより化学的酸素ろうそくを製造し、次いで、約120℃で乾燥して混合工程の間に加えた水を除去する。しかし、乾燥したでも、少量の水が残留する。
図１に関連して、典型的な化学的酸素発生ろうそく１０は、通常、各々が種々の組成を有するいくつかの層を構成する。従って、種々の応用は種々の酸素発生速度要求性を有するので、応用の特定の必要性について、種々の組成を所望の酸素発生速度に一致するようにデザインされ得る。図１に示す酸素発生ろうそくは５層を有するが、酸素発生ろうそくを製造するためにはいずれの数の層も用いられる。応用にもよるが、５層のうちの１以上の層において燃料として鉄粉末及びすず粉末が好ましく用いられる。図１に示される、種々のタイプの層間の界面形態が、１つの層から他の層への進行につれて反応の転移の制御を補助するために用いられる。酸素発生ろうそくの特定の応用にもよるが、界面形態、相対的サイズ及び層の反応性が修飾され得る。酸素発生ろうそく又はコアは、典型的にはだんだん細くなる円筒型に製造される。ろうそくの頂部には、例えば、衝撃プライマー（percussion primer）に火をつけることにより点火され得る点火ペレット１２を保持するくぼんだ所がある。例えば、典型的な点火ペレットは、約35重量％の鉄、13〜15重量％の酸化コバルト、約５％の酸化鉄、約３〜４重量％のバインダー、及びバランスの塩素酸ナトリウムを含む。また、点火ペレットからの熱は酸素を遊離するための酸素発生ろうそくの層１４、１６、１８、２０及び２２の分解を開始するのに十分である。
本発明の酸素発生組成物を以下の実施例（百分率は重量である）で更に説明する。
参考例
第１層 17ｇ：12.5％の鉄粉末、９％の酸化コバルト、４％のガラス粉末及び74.5％のNaClO₃
第２層 58ｇ：6.7％の鉄粉末、1.45％の酸化コバルト、１％の酸化マグネシウム、2.5％の粉末及び88.35％のNaClO₃
第３層 80ｇ：5.5％の鉄粉末、0.55％の酸化コバルト、１％の酸化マグネシウム、２％のガラス粉末及び99.05％のNaClO₃
第４層 70ｇ：3.4％の鉄粉末、0.25％の酸化コバルト、１％の酸化マグネシウム、及び２％のガラス及び93.35％のNaClO₃
第５層 145ｇ：2.3％の鉄粉末、0.18％の酸化コバルト、１％の酸化マグネシウム、2.5％のガラス粉末及び94.02％のNaClO₃
各層の粉末を塩素酸ナトリウムなしで予備混合し、塩素酸ナトリウムを少量の蒸留水と混合し、次いで予備混合した粉末を湿潤した塩素酸ナトリウムと混合した。次いで、鋳型中で湿った混合物を圧縮することにより化学酸素ろうそくを製造した。次いで該ろうそくを120℃で乾燥し、加えた水を除去した。
次いで、乾燥したろうそくをステンレス鋼の囲いに装填し、点火し、14.5分間機能し、室温で約111.3リットルの酸素を発生した。反応は均一であり、消費したろうそくは均一なテクスチャーを有していた。非常に高い初期酸素発生速度を保証するために第１層には酸化マグネシウムを用いなかった。第１層への酸化マグネシウムの装填は、いくつかの応用について適当な初期酸素発生速度をわずかに減少する。
実施例
第１層 21.2ｇ：10.0％のすず粉末、8.5％の酸化コバルト、4.0％のガラス粉末及び77.5％の塩素酸ナトリウム
第２層 32.3ｇ：6.5％のすず粉末、0.8％のMgO、1.0％の酸化コバルト、2.0％のガラス粉末及び89.7％の塩素酸ナトリウム
第３層 83.5ｇ：5.5％のすず粉末、0.5％のMgO、0.48％の酸化コバルト、2.0％のガラス粉末及び91.54％の塩素酸ナトリウム
第４層 98.3ｇ：5.0％のすず粉末、0.5％のMgO、0.37％の酸化コバルト、2.0％のガラス粉末及び92.13％の塩素酸ナトリウム
第５層 378.8ｇ：4.0％のすず粉末、0.5％のMgO、0.25％の酸化コバルト、2.0％のガラス粉末及び93.25％の塩素酸ナトリウム
上記成分を参考例に述べたのと同じ方法で混合した。ろうそくを圧縮し、乾燥し、装填し、参考例に記載したのと同じ方法で試験した。ろうそくは16.22分機能し、約191.1リットルの酸素を発生した。
本発明の特定の形態が説明され記載されていることが前述のことからあきらかであり、本発明の精神及び範囲を逸脱しないで種々の改良をすることができる。例えば、上述の実施例においては組成物を製造するのに水を用いているが、化学コアを製造するために乾燥混合物を適当に圧縮することが可能である。更に、説明されたコアは典型的にはだんだん細くなる円筒型であるが、鋳型は他の多くの形に製造することができる。従って、添付された請求の範囲によっては、本発明が限定されることを意図しない。

Claims (17)

1. 燃料としてすず粉末、酸化マグネシウム、及びアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源を含む、組成物の点火に関する通気性ガスを製造するための酸素発生組成物。
2. 更に遷移金属酸化物触媒を含む、請求の範囲第１項記載の酸素発生組成物。
3. 更にバインダーを含む、請求の範囲第１項記載の酸素発生組成物。
4. 上記遷移金属酸化物触媒がCoO、Co₃O₄、Co₂O₃及びCoO_X（Xは1.０〜1.5である）、酸化ニッケル、酸化銅、酸化鉄及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求の範囲第２項記載の酸素発生組成物。
5. 上記遷移金属酸化物触媒が酸化コバルト、酸化ニッケル及び酸化銅からなる群から選択される、請求の範囲第２項記載の酸素発生組成物。
6. 上記酸素源が、塩素酸ナトリウム、塩素酸カリウム、塩素酸リチウム及びそれらの混合物からなる群から選択されるアルカリ金属塩素酸塩である、請求の範囲第１項記載の酸素発生組成物。
7. 上記酸素源が過塩素酸カリウム、過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウム及びそれらの混合物からなる群から選択されるアルカリ金属過塩素酸塩である、請求の範囲第１項記載の酸素発生組成物。
8. 上記バインダーが、ガラス粉末、ガラスファイバー、セラミックファイバー、スチールウール、ベントナイト、カオリナイト及びそれらの混合物からなる群から選択される無機バインダーである、請求の範囲第３項記載の酸素発生組成物。
9. 上記酸化マグネシウムが100〜200m²/gの表面積を有する、請求の範囲第１項記載の酸素発生組成物。
10. 燃料として0.5〜15重量％のすず粉末；０〜15重量％の遷移金属酸化物触媒；0.1〜５重量％の酸化マグネシウム及び０〜５％のバインダーを含み、残部がアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源である、組成物の点火に関する通気性ガスを製造するための酸素発生組成物。
11. 上記遷移金属酸化物触媒がCoO、Co₃O₄、Co₂O₃及びCoO_X（Xは1.0〜1.5である）、酸化ニッケル、酸化銅、酸化鉄及びそれらの混合物からなる群から選択される請求の範囲第１０項記載の酸素発生組成物。
12. 上記遷移金属酸化物触媒が酸化コバルト、酸化ニッケル及び酸化銅からなる群から選択される、請求の範囲第１０項記載の酸素発生組成物。
13. 上記酸素源が、塩素酸ナトリウム、塩素酸カリウム、塩素酸リチウム及びそれらの混合物からなる群から選択されるアルカリ金属塩素酸塩である、請求の範囲第１０項記載の酸素発生組成物。
14. 上記酸素源が過塩素酸カリウム、過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウム及びそれらの混合物からなる群から選択されるアルカリ金属過塩素酸塩である、請求の範囲第１０項記載の酸素発生組成物。
15. 上記水酸化マグネシウムが100〜200m²/gの表面積を有する、請求の範囲第１０項記載の酸素発生組成物。
16. 上記バインダーが、ガラス粉末、ガラスファイバー、セラミックファイバー、スチールウール、ベントナイト、カオリナイト及びそれらの混合物からなる群から選択される無機バインダーである、請求の範囲第１０項記載の酸素発生組成物。
17. 燃料として１〜１０重量％のすず粉末;0.1〜15重量％の遷移金属酸化物触媒;0.5〜４重量％の酸化マグネシウム；及び１〜５％のバインダーを含み、残部がアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びそれらの混合物からなる群から選択される酸素源である、組成物の点火に関する通気性ガスを製造するための酸素発生組成物。

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